(57)【要約】    【課題】  燃料電池の発電能力を維持しつつ、カソード電極上での結露を抑制する。    【解決手段】カソード側セパレータ１０５において、酸化剤ガスとしての酸素をカソード電極上で拡散させる酸素拡散通路として、少なくとも２つの通路１０５１，１０５２を形成する。カソード側セパレータの第１の領域１０５ａに第１の拡散通路１０５１を形成し、この第１の領域１０５ａよりもカソード側セパレータ１０５における酸素の実質的な流通方向Ｆ１に関して下流側に隣接する第２の領域１０５ｂに、第１の拡散通路１０５１とは区画して第２の拡散通路１０５２を形成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一側にアノード電極が、他側にカソード電極が形成された電池本体と、
電池本体のアノード電極側に配置され、アノード電極上に燃料を流通させる燃料拡散通路が形成されたアノード側セパレータと、
電池本体のカソード電極側に配置され、カソード電極上に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス拡散通路が形成されたカソード側セパレータとを含んで構成され、
カソード側セパレータは、前記酸化剤ガス拡散通路として、このセパレータの第１の領域に設けられた第１の拡散通路と、この第１の領域に対し、第１の拡散通路における酸化剤ガスの実質的な流通方向に関して下流側に隣接する第２の領域に、第１の拡散通路とは区画して設けられた第２の拡散通路とを有する燃料電池。
【請求項２】
前記第２の領域は、前記第１の領域に対し、前記燃料拡散通路における燃料の実質的な流通方向に関して下流側に隣接する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１の拡散通路と、前記第２の拡散通路とは、カソード側セパレータに形成されたリブを介して隣接させて設けられた請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１の拡散通路の下流側末端部と、前記第２の拡散通路の上流側末端部とは、隣接させて、互いに平行に設けられた請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料拡散通路に接続された、アノード電極に供給される燃料を流通させる燃料供給通路と、
前記酸化剤ガス拡散通路に接続された、カソード電極に供給される酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給通路と、
この酸化剤ガス供給通路を流れる酸化剤ガスの湿度を調整する湿度調整手段と、を含んで構成され、
前記酸化剤ガス供給通路は、第１の拡散通路に接続された第１の供給通路と、第２の拡散通路に接続された第２の供給通路とを含んで構成され、
前記湿度調整手段は、第２の供給通路を流れる酸化剤ガスを、第１の供給通路を流れる酸化剤ガスとは異なる湿度に調整する燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記湿度調整手段は、第２の供給通路を流れる酸化剤ガスを、第１の供給通路を流れる酸化剤ガスよりも低い湿度に調整する請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記第１の供給通路を流れる酸化剤ガスの流量又は圧力を調整する第１の調整手段を更に含んで構成される請求項５又は６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記第２の供給通路を流れる酸化剤ガスの流量又は圧力を調整する第２の調整手段を更に含んで構成される請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記第１の拡散通路内での水蒸気発生量を検出する手段と、
この手段により検出された水蒸気発生量をもとに、前記第２の調整手段により前記第２の供給通路を流れる酸化剤ガスの流量又は圧力を制御する手段とを更に含んで構成される請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記第１の拡散通路内での水蒸気発生量を検出する手段と、
この手段により検出された水蒸気発生量をもとに、前記湿度調整手段により前記第２の供給通路を流れる酸化剤ガスの湿度を制御する手段とを更に含んで構成される請求項５〜９のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項１１】
前記第２の拡散通路内での水蒸気発生量を検出する手段と、
この手段により検出された水蒸気発生量をもとに、前記第２の調整手段により前記第２の供給通路を流れる酸化剤ガスの流量又は圧力を制御する手段とを更に含んで構成される請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１２】
前記第２の拡散通路内での水蒸気発生量を検出する手段と、
この手段により検出された水蒸気発生量をもとに、前記湿度調整手段により前記第２の供給通路を流れる酸化剤ガスの湿度を制御する手段とを更に含んで構成される請求項５〜１１のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びこれを含んで構成される燃料電池発電装置に関し、詳細には、カノード側セパレータに形成される酸化剤ガス拡散通路の改善により、発電反応に伴い燃料電池のカソード電極上で発生する結露を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、固体高分子等からなる電解質膜の各側にアノード電極又はカソード電極を形成して膜・電極構造体を構成し、この膜・電極構造体のアノード電極側にアノード側セパレータを、カソード電極側にカソード側セパレータを配置して構成されるのが一般的である。この燃料電池において、アノード側セパレータには、水素含有ガスをアノード電極上に流通させるための燃料通路が形成され、他方、カソード側セパレータには、酸素含有ガス（たとえば、空気）をカソード電極上に流通させるための酸素通路が形成される。このような膜・電極構造体、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータを接合させて構成されるものを単位セルとし、この単位セルを複数積層してスタックを構成することで、必要な発電能力が得られるようにしている。
【０００３】
通常、燃料電池では、発電能力の確保及び電解質膜の保護を目的とし、水素含有ガス及び酸素含有ガスの双方を適度に加湿した状態で対応する電極に流通させる。カソード電極側では、この加湿のための水蒸気に発電反応に伴い発生した水が加わり、酸素含有ガスに含まれる水蒸気を飽和させることで、酸素通路内で液滴が生じる。発生した液滴がカソード電極上で結露し、特に酸素通路の下流側でカソード電極上での酸素の拡散が妨げられることで、発電能力を低下させることは、よく知られた問題である。
【０００４】
この結露による発電能力の低下の問題に対応した燃料電池発電装置として、次のものが知られている。すなわち、カソード側セパレータにおいて、隣り合う酸素通路で酸素含有ガスの流通方向を逆向きに設定し、セパレータ全体で酸素含有ガスの湿度を一様にしたものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−０４３８７２号公報（段落番号００１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この公知の燃料電池発電装置には、次のような問題がある。すなわち、この装置では、カソード側セパレータの隣り合う酸素通路で流れの方向を逆向きに設定したことで、カソード電極上では、酸素が消費される前の比較的に新規な酸素含有ガスと、酸素通路を流通し、酸素の消費が進んだ酸素含有ガスとが混合することとなる。これにより酸素含有ガスの湿度が一様となるが、同時にカソード電極全体に渡り酸素の濃度が平均されて低下し、セル全体としての発電能力が低下してしまう。低下した濃度を補うために酸素含有ガスの流量を増大させると、加湿に必要とされる加熱エネルギーが増大し、システム全体としての効率が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、燃料電池の発電能力を維持しつつ、カソード電極上での結露を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池及び燃料電池発電装置を提供する。本発明に係る燃料電池は、電解質膜の一側にアノード電極が、他側にカソード電極が形成された電池本体と、電池本体のアノード電極側に配置され、アノード電極上に燃料を流通させる燃料拡散通路が形成されたアノード側セパレータと、電池本体のカソード電極側に配置され、カソード電極上に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス拡散通路が形成されたカソード側セパレータとを含んで構成される。カソード側セパレータには、酸化剤ガス拡散通路として、このセパレータの第１の領域に第１の拡散通路が設けられるとともに、この第１の領域よりも第１の拡散通路における酸化剤ガスの実質的な流通方向に関して下流側の第２の領域に、第１の拡散通路とは区画して第２の拡散通路が設けられる。また、本発明に係る燃料電池発電装置は、この燃料電池に加え、燃料拡散通路に接続された、アノード電極に供給される燃料を流通させる燃料供給通路と、酸化剤ガス拡散通路に接続された、カソード電極に供給される酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給通路と、この酸化剤ガス供給通路を流れる酸化剤ガスの湿度を調整する湿度調整手段とを含んで構成される。酸化剤ガス供給通路として、第１の拡散通路に第１の供給通路が、第２の拡散通路に第２の供給通路が接続される。湿度調整手段により、第２の供給通路を流れる酸化剤ガスが、第１の供給通路を流れる酸化剤ガスとは異なる湿度（好ましくは、第１の供給通路を流れる酸化剤ガスよりも低い湿度）に調整される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池のカソード側セパレータにおいて、第１の領域と第２の領域とに区画して、酸化剤ガス拡散通路としての第１の拡散通路及び第２の拡散通路を設け、各拡散通路に対し、個別に酸化剤ガス（たとえば、酸素）を流通させることとした。このため、第１の領域において、発電反応により酸化剤ガスが消費され、かつ湿度が増大したガスを第１の拡散通路から排出する一方、下流側の第２の領域において、適度な湿度の（好ましくは、湿度調整手段により第１の拡散通路に対するものよりも低い湿度に調整された）新規な酸化剤ガスを供給することができるので、第２の拡散通路を流れる酸化剤ガスの濃度を良好なものとして、燃料電池の発電能力を維持するとともに、第２の拡散通路内で水蒸気が飽和することを可能な限り防止して、カソード電極上での結露を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池発電装置の構成を示している。本実施形態では、燃料電池１として、高分子固体電解質型のものを採用している。
燃料電池１は、電解質膜１０１にポリマーが採用され、この電解質膜１０１の一側にアノード電極１０２が、他側にカソード電極１０３が形成されている。電解質膜１０１をアノード電極１０２及びカソード電極１０３で挟み、これらを圧着することで、膜・電極構造体（ＭＥＡ：「電池本体」に相当する。）が構成される。この膜・電極構造体に対し、アノード電極側にアノード側セパレータ１０４が、カソード電極側にカソード側セパレータ１０５が、図示しないガスケットを介して夫々配置されている。膜・電極構造体、アノード側セパレータ１０４、カソード側セパレータ１０５及び各ガスケットを接合することで、燃料電池１の単位セルが構成される。本実施形態では、この単位セルを要求される出力に応じた数だけ積層して、スタックを構成している。この燃料電池発電装置により自動車の駆動源を構成することができる。
【００１０】
アノード側セパレータ１０４には、アノード電極１０２との接合面に、燃料拡散通路（図４）が形成されている。燃料としての水素は、燃料供給通路２０１を介して図示しない高圧水素タンクから燃料電池１に供給される。燃料供給通路２０１には、図示しない圧力制御弁及び加湿器が設置されている。高圧水素タンク内の水素は、圧力制御弁により所定の圧力に減圧されるとともに、加湿器により湿度が調整された後、燃料電池１に供給される。燃料供給通路２０１は、燃料拡散通路に接続されており、供給された水素は、燃料拡散通路を流通し、アノード電極１０２上で拡散される。アノード電極１０２上では、次式で表される反応が生じ、この反応により水素が消費される。反応後の排出水素は、燃料排出通路２０２に送出される。
【００１１】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  ・・・（１）
図４は、アノード側セパレータ１０４のアノード電極１０２との接合面を示している。
本実施形態では、アノード側セパレータ１０４における燃料の実質的な流通方向（以下「燃料流通方向」という。）を、燃料電池１の実装状態で下向き（矢印Ｆ２）に設定している。アノード側セパレータ１０４には、アノード電極１０２に対峙する部分よりも燃料流通方向Ｆ２に関して上流側に入口マニホールド１０６１が、下流側に出口マニホールド１０６２が形成されている。燃料拡散通路１０４１は、入口マニホールド１０６１及び出口マニホールド１０６２に接続されており、この対峙する部分を横断させて、かつこれらのマニホールド１０６１，１０６２の間を燃料流通方向Ｆ２とは垂直な方向に蛇行させて形成されている。
【００１２】
他方、カソード側セパレータ１０５には、カソード電極１０３との接合面に、「酸化剤ガス拡散通路」としての酸素拡散通路１０５１，１０５２が形成されている。
図２は、カソード側セパレータ１０５のカソード電極１０３との接合面を、図３は、カソード側セパレータ１０５のＡ−Ａ線断面を示している。
本実施形態では、カソード側セパレータ１０５における酸素（「酸化剤ガス」に相当する。）の実質的な流通方向（以下「酸素流通方向」という。）を、燃料流通方向Ｆ２と同様な下向き（矢印Ｆ１）に設定し、酸素流通方向Ｆ１に関して上流側に第１の領域１０５ａを、この第１の領域１０５ａに対して下流側に隣接させて第２の領域１０５ｂを設定している。カソード側セパレータ１０５には、酸素拡散通路として、第１の領域１０５ａに対応させて第１の拡散通路１０５１が、第２の領域１０５ｂに対応させて第２の拡散通路１０５２が形成されており、各拡散通路１０５１，１０５２は、領域の境界でカソード側セパレータ１０５のリブＲ（図３）により区画され、各領域１０５ａ，１０５ｂ内で終結している。
【００１３】
カソード側セパレータ１０５には、第１の領域１０５ａに対し、酸素流通方向Ｆ１に関して上流側に第１の入口マニホールド１０５３が、下流側に第１の出口マニホールド１０５４が形成されている。第１の拡散通路１０５１は、第１の入口マニホールド１０５３及び第２の出口マニホールド１０５４に接続されており、かつこれらのマニホールド１０５３，１０５４の間を酸素流通方向Ｆ１とは垂直な方向に蛇行させて形成されている。また、第２の領域１０５ｂに対し、酸素流通方向Ｆ１に関して上流側に第２の入口マニホールド１０５５が、下流側に第２の出口マニホールド１０５６が形成されている。第２の拡散通路１０５２は、第２の入口マニホールド１０５５及び第２の出口マニホールド１０５６に接続されており、かつ第１の拡散通路１０５１と同様に蛇行させて形成されている。
【００１４】
更に、カソード側セパレータ１０５には、アノード側セパレータ１０４の燃料拡散通路に導入され又は燃料拡散通路から送出される水素を流通させるための通路１０６１，１０６２が形成されている。
図１において、カソード側セパレータ１０５の酸素拡散通路１０５１，１０５２には、酸素供給通路３０１ａ，３０１ｂが接続されている。この酸素供給通路は、１本の通路を途中で分岐させて形成されている。分岐後の一方の通路（「第１の供給通路」に相当する。）３０１ａが第１の拡散通路１０５１に、他方の通路（「第２の供給通路」に相当する。）３０１ｂが第２の拡散通路１０５２に接続されている。分岐部よりも上流側の末端は、大気に開放されている。酸素供給通路には、分岐部よりも上流側に、図示しないエアクリーナ及びコンプレッサが設置されている。また、分岐後の第１及び第２の供給通路３０１ａ，３０１ｂには、流量制御弁４０１ａ，４０１ｂ及び加湿器４０２ａ，４０２ｂが夫々設置されている。本実施形態に関し、流量制御弁４０１ａ及びコンプレッサが第１の調整手段を、流量制御弁４０１ｂ及びコンプレッサが第２の調整手段を構成する。また、加湿器４０２ａ，４０２ｂが湿度調整手段を構成する。
【００１５】
本実施形態では、燃料電池１に酸素を供給するため、大気中の空気が取り込まれる。この空気は、エアクリーナにより粉塵等が除去された後、コンプレッサ及び各流量制御弁４０１ａ，４０１ｂ、並びに各加湿器４０２ａ，４０２ｂにより流量又は圧力、及び湿度が調整され、燃料電池１に供給される。流量制御弁４０１ａ，４０１ｂ及び加湿器４０２ａ，４０２ｂが供給通路毎に設置されているため、各供給通路３０１ａ，３０１ｂを流れる空気の流量（又は圧力）及び湿度を個別に調整することができる。供給された空気は、第１及び第２の拡散通路１０５１，１０５２を流通し、カソード電極１０５上で拡散される。カソード電極１０５上では、次式で表される反応が生じ、この反応により酸素が消費されるとともに、水が発生する。発生した水は、加湿のための水に加わり、カソード電極１０５上で結露を生じさせる原因となる。
【００１６】
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
本実施形態では、第１の領域１０５ａと第２の領域１０５ｂとで、リブＲにより酸素拡散通路１０５１，１０５２を区間して形成している。このため、第１の拡散通路１０５１を流通した排出空気は、第１の出口マニホールド１０５４から速やかに送出され、他方、第２の拡散通路１０５２には、第２の入口マニホールド１０５５から酸素を適度な濃度で含む新たな空気が導入される。第１及び第２の領域１０５ａ，１０５ｂの境界付近のカソード電極１０５上では、排出空気の一部が新気と混合することで、第１の拡散通路１０５１の下流側末端部に存在する水蒸気の一部が第２の拡散通路１０５２の上流側末端部に移動する。移動した水蒸気は、第２の拡散通路１０５２を流れる空気の湿度を増加させる。反応後の排出空気は、第１又は第２の拡散通路１０５１，１０５２に接続された第１又は第２の排出通路３０２ａ，３０２ｂに送出される。
【００１７】
流量制御弁４０１ａ，４０１ｂ及び加湿器４０２ａ，４０２ｂ（並びにコンプレッサ等の他の装置）の動作は、コントロールユニット６０１により制御される。本実施形態では、第１の供給通路３０１ａ、第２の供給通路３０１ｂ、第１の排出通路３０２ａ及び第２の排出通路３０２ｂの各々に第１〜第４の流量センサ５０１〜５０４が設置されるとともに、第２の供給通路３０１ｂに温度センサ５０５が設置されている。コントロールユニット６０１は、各センサ５０１〜５０５の出力をもとに、流量制御弁及び加湿器等の動作を制御する。
【００１８】
次に、コントロールユニット６０１の動作について、図１により説明する。
コントロールユニット６０１は、要求される出力又は負荷に応じた空気の基本流量又は圧力を設定し、設定した基本流量等に応じてコンプレッサ及び流量制御弁４０１ａ，４０１ｂを制御する。また、コントロールユニット６０１は、加湿器４０２ａ，４０２ｂを制御し、第１及び第２の供給通路３０１ａ，３０１ｂを流れる空気に対し、設定した基本流量等に応じた最適な量の水蒸気を添加させる。添加される水蒸気の量は、発電能力の確保及び電解質膜１０１の保護に充分なものとし、通常は、第２の拡散通路１０５２に供給される空気が第１の拡散通路１０５１に供給される空気よりも低い湿度となるように加湿器４０２ａ，４０２ｂを作動させる。
【００１９】
本実施形態では、第１及び第２の供給通路３０１ａ，３０１ｂ及び第１及び第２の排出通路３０２ａ，３０２ｂの各々に第１〜第４の流量センサ５０１〜５０４が設置されている。コントロールユニット６０１は、これらの流量センサ５０１〜５０４の出力から、第１の領域１０５ａ及び第２の領域１０５ｂに対応するカソード電極１０３上での発電反応の進行度合いを検出するとともに、検出した進行度合いから、発電反応に伴い各電極部分で発生する水蒸気の量（以下「水蒸気発生量」という。）を推定する。すなわち、コントロールユニット６０１は、第１及び第３の流量センサ５０１，５０３の出力から、第１の領域１０５ａに対応する電極部分で発電反応に消費された酸素の量を検出するとともに、検出した酸素の量から、（２）式により第１の拡散通路１０５１での水蒸気発生量ｑｈ１を算出する。また、第２及び第４の流量センサ５０２，５０４の出力から、第２の領域１０５ｂに対応する電極部分で発電反応に消費された酸素の量を検出するとともに、検出した酸素の量から、（２）式により第２の拡散通路１０５２での水蒸気発生量ｑｈ２を算出する。コントロールユニット６０１は、算出した水蒸気発生量ｑｈ１，ｑｈ２に応じ、流量制御弁４０１ａ，４０１ｂ又は加湿器４０２ａ，４０２ｂを制御し、第２の拡散通路１０５２に供給される空気の湿度を調整する。
【００２０】
たとえば、コントロールユニット６０１は、第１の領域１０５ａに関する水蒸気発生量ｑｈ１に応じて流量制御弁４０１ａ，４０１ｂを制御し、水蒸気発生量ｑｈ１が多いときほど第２の供給通路３０１ｂを流れる空気の流量又は圧力を増大させることで、第２の拡散通路１０５２に供給される空気の湿度を相対的に低下させる。これにより、第１の拡散通路１０５１と第２の拡散通路１０５２との間で湿度差が拡大され、第１の拡散通路１０５１から第２の拡散通路１０５２への水蒸気の移動が促進されることで、第１の拡散通路１０５１で湿度が低下し、結露が抑制される。これに併せ、第２の拡散通路１０５２では、加湿器４０２ｂにより添加された水蒸気に、移動により添加された水蒸気が加わる結果、良好な湿度が形成される。これと同様な作用は、水蒸気発生量ｑｈ１に応じて加湿器４０２ｂを制御し、水蒸気発生量ｑｈ１が多いときほどこの加湿器４０２ｂにより添加される水蒸気の量（以下「水蒸気添加量」という。）を減少させることでも得ることができる。
【００２１】
また、コントロールユニット６０１は、第２の領域１０５ｂに関する水蒸気発生量ｑｈ２に応じて流量制御弁４０１ａ，４０１ｂを制御し、水蒸気発生量ｑｈ２が多いときほど第２の供給通路３０１ｂを流れる空気の流量又は圧力を増大させることで、第２の拡散通路１０５２に供給される空気の湿度を相対的に低下させ、第２の拡散通路１０５２における結露を抑制する。これと同様な作用は、水蒸気発生量ｑｈ２に応じて加湿器４０２ｂを制御し、水蒸気発生量ｑｈ２が多いときほどこの加湿器４０２ｂによる水蒸気添加量を減少させることでも得ることができる。
【００２２】
なお、温度センサ５０５の出力は、コントロールユニット６０１において、第２の供給通路３０１ｂを流れる空気の流量若しくは圧力、又は加湿器４０２ｂによる水蒸気添加量の補正に採用される。すなわち、コントロールユニット６０１は、検出した温度に応じて流量制御弁４０１ａ，４０１ｂ又は加湿器４０２ｂを制御し、この温度が低いときほど第２の拡散通路１０５２に供給される空気の湿度を低下させることで、低温時における結露を防止することができる。
【００２３】
水蒸気発生量ｑｈ１，ｑｈ２を検出するための手段には、流量センサ以外に、濃度センサ、圧力センサ又は湿度センサを採用することもできる。濃度センサ又は圧力センサによる場合は、各拡散通路１０５１，１０５２前後の酸素の濃度又は空気の圧力を検出し、発電反応に消費された酸素の量を検出することで、（２）式により算出することができる。湿度センサによる場合は、各拡散通路１０５１，１０５２前後での湿度の変化から直接的に検出することができる。
【００２４】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、燃料電池１のカソード側セパレータ１０５において、第１及び第２の領域１０５ａ，１０５ｂに対応させて、酸素拡散通路としての第１の拡散通路１０５１及び第２の拡散通路１０５２を区画して設け、各拡散通路１０５１，１０５２に対し、個別に空気を流通させることとした。このため、第１の領域１０５ａにおいて、水蒸気が飽和する前に排出空気を第１の拡散通路１０５１から排出することで、この通路１０５１における結露を抑制することができる。他方、第２の領域１０５ｂにおいて、第１の拡散通路１０５１からの水蒸気の移動分を考慮し、加湿器４０２ｂによる水蒸気添加量を抑えることで、第２の拡散通路１０５２を流れる空気の湿度を良好なものとし、この通路１０５２における結露を抑制することができる。
【００２５】
第２に、第１の拡散通路１０５１を第１の領域１０５ａ内で終結させ、排出空気を第１の出口マニホールド１０５４から排出させるとともに、第２の拡散通路１０５２に対し、第２の入口マニホールド１０５５から新気を導入することで、第２の領域１０５ｂに対応する電極部分で酸素の濃度を高く維持し、燃料電池１の発電能力を向上させることができる。
【００２６】
図５は、カソード電極１０５上の位置Ｐｃａｔｈに応じた酸素の濃度Ｄを、曲線Ａにより示している。同図は、第１及び第２の供給通路３０１ａ，３０１ｂを流れる空気の流量を等しく設定した場合のものである。横軸は、第１の入口マニホールド１０５３の位置を原点とし、第１の出口マニホールド１０５４の位置をＰ１で、第２の入口マニホールド１０５５の位置をＰ２で示している。本実施形態では、第１及び第２の領域１０５ａ，１０５ｂで酸素拡散通路を区画し、これらの領域の境界付近で排出空気と新気とを入れ替えることとしている。このため、第２の領域１０５ｂに対応する電極部分で酸素の濃度Ｄを高く維持することができる。比較例として、酸素供給通路を分断せず、カソード電極を横断させて形成するとともに、隣り合う通路の間で空気の流通方向を逆向きに設定した場合のものを、曲線Ｂにより示している。この場合は、隣り合う通路を流れる排出空気及び新気がカソード電極上で混合し、酸素の濃度Ｄが平均され、低下するため、充分な発電能力を得ることができない。なお、点線Ａ’は、他の比較例として、酸素拡散通路をカソード電極を横断させて形成し、酸素流通方向Ｆ１に全ての空気を流通させた場合のものを示している。
【００２７】
第３に、第１の拡散通路１０５１内で発電反応に伴い発生する水蒸気の量ｑｈ１を検出し、検出した水蒸気発生量ｑｈ１に応じて燃料電池１に供給される空気の湿度を低下させることとしたので、第１の拡散通路１０５１内の水蒸気を積極的に第２の拡散通路１０５２に移動させ、第１の拡散通路１０５１、特にその下流側末端部における結露を抑制することができる。
【００２８】
第４に、第２の拡散通路１０５２内で発電反応に伴い発生する水蒸気の量ｑｈ２を検出し、検出した水蒸気発生量ｑｈ２に応じて燃料電池１に供給される空気の湿度を低下させることとしたので、第２の拡散通路１０５２における結露を抑制することができる。この水蒸気発生量ｑｈ２に応じた制御に加え、空気の湿度を温度に応じて調整又は補正することで、結露の抑制がより確実なものとなる。
【００２９】
第５に、第１の供給通路３０１ａに設置された加湿器４０２ａによる水蒸気添加量に対し、第２の供給通路３０１ｂに設置された加湿器４０２ｂによる水蒸気添加量を少なく設定することで、簡単な設定方法でありながら、第２の拡散通路１０５２における結露を効果的に抑制することができる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
【００３０】
図６は、本実施形態に係る燃料電池のカソード側セパレータ１０５の、カソード電極との接合面を示している。
先の実施形態では、この接合面上で２つの領域１０５ａ，１０５ｂを設定し、領域毎に区画して２つの拡散通路１０５１，１０５２を設けることとしたが、本実施形態では、同じ接合面上で互いに隣接させて３つの領域１０５ａ〜１０５ｃを設定し、各領域に対応させて３つの拡散通路１０５１，１０５２，１０７１を設けることとしている。カソード側セパレータ１０５における酸素流通方向が燃料電池の実装状態で下向き（矢印Ｆ１）に設定されていること、各領域１０５ａ〜１０５ｃが酸素流通方向Ｆ１に隣接させて設定されていること、各拡散通路１０５１，１０５２，１０７１が領域の境界でカソード側セパレータ１０５のリブＲにより区画されるとともに、領域毎に入口及び出口マニホールド１０５３〜１０５６，１０７２，１０７３が形成されること等は、先の実施形態のものと同様である。また、流量制御弁及び加湿器を領域毎に関連させて設置することも先の実施形態のものと同様であり、これらの装置を制御して、酸素流通方向Ｆ１に関して下流側の領域の酸素拡散通路に供給される空気ほど低い湿度に調整する。
【００３１】
本実施形態によれば、上記第１〜第５の効果に加え、特に次のような効果を得ることができる。
図７は、カソード電極１０５上の位置Ｐｃａｔｈと酸素の濃度Ｄとの関係を、本実施形態に関して示している。最も上流側の入口マニホールド１０５３の位置を原点とし、符号Ｐ１，Ｐ３は、対応する出口マニホールド１０５４，１０５６の位置を、符号Ｐ２，Ｐ４は、対応する入口マニホールド１０５５，１０７２の位置を示している。本実施形態では、第１〜第３の領域１０５ａ〜１０５ｃを設定し、酸素拡散通路を領域毎に区画して、３つに分けて形成することとしたので、先の実施形態のものに対し、下流側に進むほど酸素の濃度Ｄを増大させ、発電能力を向上させることができる。なお、領域の数は、要求される発電能力に応じて適宜に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池発電装置の構成
【図２】同上実施形態に係るカソード側セパレータのカソード電極との接合面
【図３】同上実施形態に係るカソード側セパレータのＡ−Ａ線断面
【図４】同上実施形態に係るアノード側セパレータのアノード電極との接合面
【図５】同上実施形態に係るカソード電極上での酸素の濃度分布
【図６】本発明の他の実施形態に係るカソード側セパレータのカソード電極との接合面
【図７】同上実施形態に係るカソード電極上での酸素の濃度分布
【符号の説明】
【００３３】
１…燃料電池、１０１…電解質膜、１０２…アノード電極、１０３…カソード電極、１０４…アノード側セパレータ、１０５…カソード側セパレータ、１０５ａ…第１の領域、１０５ｂ…第２の領域、１０５１…第１の拡散通路、１０５２…第２の拡散通路、２０１…燃料供給通路、２０２…燃料排出通路、３０１ａ…第１の供給通路、３０１ｂ…第２の供給通路、３０２ａ…第１の排出通路、３０２ｂ…第２の排出通路、４０１ａ…第１の調整手段としての流量制御弁、４０１ｂ…第２の調整手段としての流量制御弁、４０２ａ，４０２ｂ…湿度調整手段としての加湿器、５０１〜５０４…流量センサ、５０５…温度センサ、６０１…コントロールユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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